ES2427793T3

ES2427793T3 - Three-phase inverter circuit and operating procedure of a three-phase inverter circuit

Info

Publication number: ES2427793T3
Application number: ES10005279T
Authority: ES
Inventors: Stephan Rexilius
Original assignee: FeCon GmbH
Current assignee: FeCon GmbH
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2013-11-04
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: WO2011144295A3; US20110286253A1; EP2388904B1; US8427846B2; EP2388904A1; WO2011144295A2

Abstract

Circuito inversor trifAsico (10), que incluye un inversor(12) que comprende una pluralidad de interruptores de alimentacioncontrolable (18), y un dispositivo de control electronico (13)adaptado para controlar los interruptores de alimentacion (18),caracterizado porque el dispositivo de control (13) en el caso deuna caida de tension medida en una fase est& adaptado parasuministrar una corriente reactiva Unicamente sobre la fase con caida de tension y para suministrar y/o extraer una corrienteactiva en al menos una fase sin caida de tension.Three-phase inverter circuit (10), including an inverter (12) comprising a plurality of controllable power switches (18), and an electronic control device (13) adapted to control the power switches (18), characterized in that the device In the case of a voltage drop measured in one phase, it is adapted to supply a reactive current only on the phase with voltage drop and to supply and / or extract an active current in at least one phase without voltage drop.

Description

THREE PHASE INVERTER CIRCUIT AND OPERATION PROCEDURE OF A THREE-PHASE INVERTER CIRCUIT

La invención se refiere a un circuito inversor trifásico que incluye un inversor que comprende una pluralidad de interruptores de alimentación controlable, y un dispositivo de control electrónico adaptado para controlar los interruptores de alimentación. La invención se refiere adicionalmente a un procedimiento de funcionamiento de un circuito inversor trifásico. The invention relates to a three phase inverter circuit including an inverter comprising a plurality of controllable power switches, and a control device Electronic adapted to control the power switches. The invention further relates to a method of operating a three-phase inverter circuit.

Se conoce un circuito inversor de este tipo, por ejemplo, a partir del documento WO 03 065567 Al. Se usan circuitos inversores Such an inverter circuit is known, for example, from WO 03 065567 Al. Inverter circuits are used

trifásicos, triphasic,: por ejemplo, en disposiciones de circuitos para by example, in provisions of circuits for

suministrar supply: corriente desde plantas de energia renovable, en stream since plants of Energy renewable, in

particular, particular,: plantas eólicas, plantas fotovoltaicas y celdas de plants wind power, plants photovoltaic and cells of

combustible, fuel,: a una red trifásica. El suministro de corriente to a net triphasic. The supply of stream

reactiva reactive: en una fase como resultado de una caída de tensión in a phase how Outcome of a drop of tension

desequilibrada puede conducir a un aumento de la tensión no deseado hasta más del 110% de la tensión convencional en las fases sin caida de tensión. Unbalanced can lead to an unwanted voltage rise to more than 110% of conventional voltage in phases without brownouts.

El documento WO 2005 031160 A2 Y el documento publicado posteriormente EP 2 202 862 Al, desvelan procedimientos para controlar una planta eólica, en la que la potencia reactiva se suministra al sistema de alimentación dependiente de una caida de tensión en el sistema de suministro de energia. Document WO 2005 031160 A2 And the document published later EP 2 202 862 Al, disclose procedures for controlling a wind power plant, in which reactive power is supplied to the power supply system dependent on a voltage drop in the energy supply system. .

Es el obj eto de la invención proporcionar un circuito inversor trifásico y un procedimiento, en el que un aumento de la tensión de hasta más del 110% de la tensión convencional en las fases sin caída de tensión puede impedirse con medios sencillos. It is the object of the invention to provide a three phase inverter circuit and method, in which a voltage increase of up to more than 110% of the conventional voltage in the phases without voltage drop can be prevented by simple means.

La invención resuelve este objeto con las caracteristicas de las reivindicaciones independientes. El suministro y/o extracción de The invention solves this object with the characteristics of the independent claims. The supply and / or extraction of

forma adecuada de una corriente activa en al menos una fase sin caída de tensión puede contrarrestar un aumento de tensión en las fases sin caída de tensión y, en particular, puede impedir su aumento hasta más del 110%. Adequate form of an active current in at least one phase without voltage drop can counteract a voltage increase in the phases without voltage drop and, in particular, can prevent its increase up to more than 110%.

Preferiblemente, se suministra una corriente activa en una fase sin caída de tensión, mientras que en la otra sin caída de tensión Preferably, an active current is supplied in one phase without voltage drop, while in the other without voltage drop

se I know: extrae una corriente activa, con el fin de contrarrestar la extract a stream active, with the end of counter the

generación generation: de potencia activa adicional. De forma ideal, la of power active additional. Of shape ideal, the

cantidad quantity: de las corrientes activas suministradas y extraídas en of the currents active supplied and extracted in

las fases sin caída de tensión son sustancialmente equivalentes, de manera que el sistema muestra un comportamiento neutro general con respecto a la potencia activa. the phases without voltage drop are substantially equivalent, so that the system shows a general neutral behavior with respect to the active power.

En una realización particularmente preferida de la invención, las corrientes activas fijadas en las fases sin caída de tensión se calculan de tal forma que la suma de las corrientes en todas las fases ascienda totalmente a cero. Por lo tanto, es posible cumplir con los requisitos con respecto al aumento de tensión máximo en las fases intactas sin medidas adicionales, como por ejemplo, una línea de compensación de corriente entre el lado de tensión CC y el lado de tensión CA. A este respecto, la invención ha determinado que no se requiere un control individual de las fases individuales para cumplir con todos los requisitos que se han mencionado anteriormente. In a particularly preferred embodiment of the invention, the active currents fixed in the phases without voltage drop are calculated in such a way that the sum of the currents in all the phases amounts totally to zero. Therefore, it is possible to meet the requirements regarding the maximum voltage increase in intact phases without additional measures, such as a current compensation line between the DC voltage side and the AC voltage side. In this regard, the invention has determined that individual control of the individual phases is not required to meet all the requirements mentioned above.

Puesto que la tensión de la fase afectada por un cortocircuito puede caer en tan gran medida que la posición del vector de tensión correspondiente ya no pueda determinarse con la precisión suficiente, al menos bajo dichas circunstancias el vector de tensión de la fase con caída de tensión se calcula preferiblemente con una precisión básicamente superior a partir de los vectores de tensión medidos de las fases restantes. Since the phase voltage affected by a short circuit can drop to such a great extent that the position of the corresponding voltage vector can no longer be determined with sufficient precision, at least under these circumstances the voltage vector of the phase with voltage drop it is preferably calculated with substantially higher precision from the measured voltage vectors of the remaining phases.

A continuación, la invención se describe en más detalle en base a realizaciones preferidas que hacen referencia a las figuras adjuntas, en las que: Hereinafter, the invention is described in more detail on the basis of preferred embodiments with reference to the attached figures, in which:

La figura 1 muestra un circuito inversor de acuerdo con la invención; la figura 2a, 2b muestra diagramas fasoriales para el lado D o el lado Y del transformador DY de la figura 1 en el caso de una caída de tensión en una fase; la figura 3 muestra un diagrama fasorial que ilustra el control de corriente de acuerdo con la invención; y la figura 4 muestra una aplicación del circuito inversor de acuerdo con la invención en una disposición de circuito para suministrar corriente desde una planta de energía eólica a una red trifásica. Figure 1 shows an inverter circuit according to the invention; Figure 2a, 2b shows phasor diagrams for either the D side or the Y side of the DY transformer of Figure 1 in the event of a phase voltage drop; Figure 3 shows a phasor diagram illustrating current control according to the invention; and Figure 4 shows an application of the inverter circuit according to the invention in a circuit arrangement for supplying current from a wind power plant to a three-phase network.

El circuito inversor 10 incluye un circuito cc intermedio 11, un inversor 12, un filtro 14, un transformación de media tensión 15 y un dispositivo de control electrónico 13, por ejemplo, un procesador de señales digitales DSP. En un modo per se, el inversor 12 para cada fase 16a, 16b, 16c del lado de tensión CA 17 Inverter circuit 10 includes an intermediate DC circuit 11, an inverter 12, a filter 14, a medium voltage transformation 15, and an electronic control device 13, for example, a DSP digital signal processor. In a per se mode, the inverter 12 for each phase 16a, 16b, 16c on the AC voltage side 17

incluye It includes: una cascada respectiva 17a, 17b, 17c, cada una de las a waterfall respective 17a, 17b, 17c, every a of the

cuales which: comprende dos interruptores de alimentación 18, en understands two switches of feeding 18, in

particular transistores de potencia, particular power transistors,: por ejemplo IGBT. for example IGBT.

La corriente trifásica se suaviza en el lado de tensión CA 17 usando el filtro 14 y después puede transformarse en una tensión deseada usando el transformador de tensión CA 15. El filtro 14 puede estar diseñado corno un inductor o corno un transformador. El transformador de tensión CA 15 puede seleccionarse adecuadamente dependiendo de la aplicación. Para suministrar corriente a una red de media tensión, el transformador 15 puede estar diseñado, por ejemplo, corno un transformador de media tensión DY. The three phase current is smoothed on the AC voltage side 17 using filter 14 and can then be transformed into a desired voltage using AC voltage transformer 15. Filter 14 can be designed as an inductor or as a transformer. The AC voltage transformer 15 can be suitably selected depending on the application. To supply current to a medium-voltage network, transformer 15 may be designed, for example, as a medium-voltage transformer DY.

Los interruptores de alimentación 18 se controlan usando el dispositivo de control electrónico 13, en particular por medio de control por modulación por ancho de pulsos. Las tensiones de alimentación se miden en el lado de tensión CA 17 del inversor 12, preferiblemente entre el filtro 14 y el transformador de media tensión 15, y se suministran junto con el potencial de tierra a The power switches 18 are controlled using the electronic control device 13, in particular by means of pulse width modulation control. The supply voltages are measured on the AC 17 voltage side of the inverter 12, preferably between the filter 14 and the medium voltage transformer 15, and are supplied together with the ground potential at

través de las líneas correspondientes 19 hasta el dispositivo de control 13 corno se miden las señales de tensión. Las corrientes en las fases individuales se miden sobre el lado de tensión CA 17, preferiblemente entre el inversor 12 y el filtro 14, usando los dispositivos medidores de corriente correspondientes 20 y se suministran a través de las líneas correspondientes 21 hasta el dispositivo de control 13 corno se miden las señales de corriente. El dispositivo de control 13 calcula las corrientes fijadas de las tensiones y corrientes medidas. En base a las corrientes fijadas y las corrientes medidas, el dispositivo de control 13 determina las señales de control para los interruptores de alimentación 18 y los controla de forma correspondiente. Through the corresponding lines 19 to the control device 13 as the voltage signals are measured. The currents in the individual phases are measured on the AC voltage side 17, preferably between the inverter 12 and the filter 14, using the corresponding current measuring devices 20 and are supplied through the corresponding lines 21 to the control device 13 as current signals are measured. The control device 13 calculates the set currents of the measured voltages and currents. On the basis of the set currents and the measured currents, the control device 13 determines the control signals for the power switches 18 and controls them accordingly.

La figura 2a muestra un diagrama fasorial para el lado D 22 del transformador 15 de la figura 1 en el caso de una caída de tensión, aquí, por ejemplo, de la tensión UL23 , por ejemplo al 40%. La figura 2b muestra un diagrama fasorial correspondiente para el lado Y 23 del transformador 15. En el presente ejemplo, la tensión Figure 2a shows a phasor diagram for side D 22 of transformer 15 of figure 1 in the event of a voltage drop, here, for example, of the UL23 voltage, for example 40%. Figure 2b shows a corresponding phasor diagram for side Y 23 of transformer 15. In the present example, the voltage

UL2N UL2N: cae extremadamente, concretamente al 50%, mientras que cada falls off extremely, specifically to the fifty%, While than every

una a: de las tensiones ULlN y UL3N se reduce sólo un poco en of the tensions ULlN and UL3N I know reduces single a little bit in

aproximadamente el 9%. about 9%.

Para contrarrestar la caída de tensión mostrada en las figuras 2a, 2b, se realiza un control de corriente, que a continuación se explicará en detalle en base a la figura 3, por el dispositivo de control 13. En primer lugar, el vector de tensión caída UL2N se calcula a partir de los vectores de tensión intactos medidos ULlli y UL 3N. Esto permite una determinación significativamente más exacta del vector de tensión caída UL2N en comparación con una medida directa de UL2N , en particular en el caso de una caída de tensión completa o esencialmente completa. To counteract the voltage drop shown in Figures 2a, 2b, a current control is performed, which will be explained in detail on the basis of Figure 3 below, by the control device 13. First, the voltage vector UL2N drop is calculated from the measured intact voltage vectors ULlli and UL 3N. This allows a significantly more accurate determination of the UL2N voltage drop vector compared to a direct measurement of UL2N, particularly in the case of a complete or essentially complete voltage drop.

El control de corriente proporciona una corriente reactiva I L2 que se suministrará únicamente en la fase afectada UL2N • Para este fin, el dispositivo de control 13 calcula una corriente reactiva fijada I L2 que asciende preferiblemente a al menos el 40% de la corriente The current control provides a reactive current I L2 to be supplied only in the affected phase UL2N • For this purpose, the control device 13 calculates a fixed reactive current I L2 that preferably amounts to at least 40% of the current

nominal, que se suministrará únicamente en la fase afectada UL2N • Sin embargo, en las fases ULlN y UL3N , que no están afectadas, la corriente activa se extrae y se suministra, respectivamente. Más precisamente, en una de las fases intactas, aquí en la fase ULlN , se suministra una corriente activa 1L1 , y en la otra fase intacta, aquí en la fase UL3N , se extra una corriente activa 1L3 , siendo la cantidad de las corrientes activas 1L1 y 1L3 preferiblemente igual, de manera que el balance de potencia activa total sea cero. La cantidad de la corriente activa suministrada y extraída 1L1, 113 Nominal, to be supplied only in the affected phase UL2N • However, in the phases ULlN and UL3N, which are not affected, the active current is drawn and supplied, respectively. More precisely, in one of the intact phases, here in the ULlN phase, an active current 1L1 is supplied, and in the other intact phase, here in the UL3N phase, an active current 1L3 is extracted, being the amount of the active currents 1L1 and 1L3 preferably equal, so that the total active power balance is zero. The quantity of the active current supplied and withdrawn 1L1, 113

depende It depends: de la profundidad de la caída de tensión en la fase of the depth of the drop of tension in the phase

afectada affected: UL2N , sin embargo, en cualquier caso, es menor que la UL2N, without embargo, in any case, is less than the

nominal corriente activa. nominal active current.

Al aplicar de forma práctica el procedimiento anterior, en primer lugar una de las corrientes activas fijadas 1L1 (1L3 ) se calcula en el dispositivo de control 13 de tal manera que la tensión en la fase correspondiente ULlN (UL3N ) no aumente hasta más del 110% con respecto a condiciones normales. Después, la otra corriente activa fijada 1L3 (1L1 ) se calcula usando la ley de corrientes de Kirchhoff que conduce a una corriente activa que tiene la misma cantidad, de manera que también en la otra fase intacta UL3N (ULlN) la tensión no aumente hasta más del 110% con respecto a condiciones normales. Después, las corrientes activas fijadas determinadas 1L1I 1L1 , 113 se suministran a la red de tensión CA controlando los interruptores de alimentación 18 de forma correspondiente. By practically applying the above procedure, first of all one of the set active currents 1L1 (1L3) is calculated in the control device 13 in such a way that the voltage in the corresponding phase ULlN (UL3N) does not increase until more than 110 % with respect to normal conditions. Then, the other fixed active current 1L3 (1L1) is calculated using Kirchhoff's current law which leads to an active current having the same amount, so that also in the other intact phase UL3N (ULlN) the voltage does not increase until more than 110% compared to normal conditions. Thereafter, the determined set active currents 1L1I 1L1, 113 are supplied to the AC voltage network by controlling the power switches 18 accordingly.

Únicamente es posible emplear la ley de corrientes de Kirchhoff de la manera descrita, ya que el punto neutro 24 del transformador 15 no está conectado al circuito intermedio 11, según sea necesario para un control de corriente de fase individual para permitir una compensación de corriente entre el lado de tensión CC 25 y el lado de tensión CA 17 del inversor 12. En comparación con un control de corriente de fase individual, por lo tanto, el circuito inversor 10 se caracteriza por el punto neutro 24 del transformador 15 que se mantiene a un potencial fijo, en particular, un potencial de tierra; y el circuito CC intermedio 11 no tiene una conexión It is only possible to employ Kirchhoff's current law in the manner described, since neutral point 24 of transformer 15 is not connected to intermediate circuit 11, as needed for individual phase current control to allow current compensation between the DC voltage side 25 and the AC voltage side 17 of the inverter 12. Compared to a single phase current control, therefore, the inverter circuit 10 is characterized by the neutral point 24 of the transformer 15 which is maintained at a fixed potential, in particular a ground potential; and the intermediate DC circuit 11 does not have a connection

adicional al lado de tensión CA 17 del inversor 12 de manera que pueda desecharse una línea de compensación de corriente correspondiente. additional to the AC voltage side 17 of the inverter 12 so that a corresponding current compensation line can be discarded.

El circuito CC intermedio 11 puede conectarse a una fuente de energía CC, por ejemplo, una planta para generar energía renovable. Una aplicación de este tipo se muestra, por ejemplo, en la figura 4 en forma de una planta eólica 26 con velocidad variable, incluyendo un rotor 27, una caja de transmisión 28, un generador síncrono 29, un rectificador controlado 30 que está conectado al circuito inversor 10 de acuerdo con la figura 1 de manera que el rectificador 30 y el inversor 12 formen un convertidor de frecuencia 31. sin embargo, la invenci6n no se limita a esta aplicación. Son realizaciones adicionalmente preferidas plantas fotovoltaicas, células de combustible u otras fuentes de energía CC. Además, el circuito inversor 10 también puede funcionar a la inversa, si, en lugar de una fuente de energía CC 27-30, se conecta un consumidor de energía CC en el lado de tensión CC 25 del inversor 12. Finalmente, el inversor 12 de acuerdo con la figura 1 también puede funcionar en el circuito intermedio 11 sin la conexión de una fuente de energía CC o un sumidero de corriente CC en el lado de tensión CC 25 y, por lo tanto, puede conectarse a una red trifásica a través del transformador 15 de forma autárquica. The intermediate DC circuit 11 can be connected to a DC power source, for example a plant to generate renewable energy. Such an application is shown, for example, in Figure 4 in the form of a variable speed wind power plant 26, including a rotor 27, a transmission case 28, a synchronous generator 29, a controlled rectifier 30 that is connected to the inverter circuit 10 according to figure 1 so that the rectifier 30 and inverter 12 form a frequency converter 31. However, the invention is not limited to this application. Further preferred embodiments are photovoltaic plants, fuel cells, or other DC power sources. Furthermore, the inverter circuit 10 can also be operated in reverse if, instead of a DC power source 27-30, a DC power consumer is connected on the DC voltage side 25 of the inverter 12. Finally, the inverter 12 according to figure 1 it can also operate on the intermediate circuit 11 without the connection of a DC power source or a DC current sink on the DC voltage side 25 and can therefore be connected to a three-phase network via of the transformer 15 in an autonomous way.

El control de corriente del circuito inversor 10 se ha descrito anteriormente para el caso de que la tensión caiga significativamente únicamente en una fase. Esta descripción puede transferirse por consiguiente a un control de corriente del The current control of the inverter circuit 10 has been described above in the event that the voltage drops significantly only in one phase. This description can therefore be transferred to a current control of the

~ circuito inversor 10 de acuerdo con la invención para el caso de una caída de tensión en una pluralidad de fases. ~ inverter circuit 10 according to the invention in the event of a voltage drop in a plurality of phases.

Claims

1. Three-phase inverter circuit (10), which includes an inverter

(12) comprising a plurality of power switches

5 controllable (18), and an electronic control device (13) adapted to control the power switches (18), characterized in that the control device (13) in the event of a voltage drop measured in one phase is adapted to supply a reactive current only on the phase with

10 voltage drop and to supply and / or extract an active current in at least one phase without voltage drop.

2. Inverter circuit according to claim 1, in which one of the phases without voltage drop is supplied with a

15 active current, and in another of the phases without voltage drop an active current is extracted.

3. Inverter circuit according to claim 2, wherein the quantity of the active currents supplied and

20 extracted in the phases without voltage drop are substantially equivalent.

4. Inverter circuit according to any one of the preceding claims, in which the active currents

25 fixed in the phases without voltage drop are calculated in such a way that the sum of the currents in all the phases amounts totally to zero.

5. Inverter circuit according to any one of the

~ previous claims, in which the voltage vector of the phase with voltage drop is calculated from the measured voltage vectors of the remaining phases.

6. Inverter circuit according to any one of the

The preceding claims, wherein no separate current compensation is provided between a DC voltage side

(25) And one AC voltage side (17) of the inverter circuit (12).

7. 7.: Circuito inversor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo al menos un transformador de tensión CA (15) sobre el lado de tensión CA. Inverter circuit according to any one of the preceding claims, including at least one AC voltage transformer (15) on the AC voltage side.

8. 8.: Circuito inversor de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el punto neutro (24) del transformador de tensión CA (15) denominado como transformador DY se ajusta a un potencial fijo, en particular potencial de tierra. Inverter circuit according to claim 7, wherein the neutral point (24) of the AC voltage transformer (15) referred to as the DY transformer is adjusted to a fixed potential, in particular ground potential.

9. 9.: Circuito inversor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye al menos un circuito CC intermedio (11) sobre el lado de tensión CC (25). Inverter circuit according to any one of the preceding claims, which includes at least one intermediate DC circuit (11) on the DC voltage side (25).

10. 10.: Circuito inversor de acuerdo con la reivindicación 9, en el que aparte del inversor (12) y, cuando sea aplicable, un rectificador (30) no se conecta ninguna fuente de corriente o sumidero de corriente adicional al circuito intermedio (11). Inverter circuit according to claim 9, wherein apart from the inverter (12) and, where applicable, a rectifier (30) no additional current source or current sink is connected to the intermediate circuit (11).

11. eleven.: Circuito inversor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dispositivo medidor de corriente (20) se proporciona entre el inversor (12) y un filtro Inverter circuit according to any one of the preceding claims, in which current measuring device (20) is provided between the inverter (12) and a filter

(14) to smooth the current on the AC voltage side (17).

12. 12.: Conversor de frecuencia (31) que comprende un circuito rectificador (30) y un circuito inversor (12) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores. Frequency converter (31) comprising a rectifier circuit (30) and an inverter circuit (12) according to any one of the preceding claims.

13. 13.: Procedimiento de funcionamiento de un circuito inversor trifásico (10), incluyendo control por modulación por ancho de pulsos de una pluralidad de interruptores de alimentación controlable (18), caracterizado porque en el caso de una caída de tensión medida en una fase a corriente reactiva se suministra únicamente sobre la fase con caída de tensión y se suministra o se extrae una corriente activa en al menos una fase sin caída de Operating procedure of a three-phase inverter circuit (10), including control by pulse width modulation of a plurality of controllable power switches (18), characterized in that in the event of a voltage drop measured in a phase to reactive current, supplies only on the phase with voltage drop and an active current is supplied or withdrawn in at least one phase without voltage drop